GEN, IDENTIFIKACE GENU, GENETIKA KVALITATIVNÍCH A KOMPLEXNÍCH ZNAKŮ A METODY JEJICH ANALÝZY Marie Klumplerová VÝVOJ POJETÍ DEFINICE GENU – J.G. MENDEL Jeden gen = jeden znak, gen = jednotkový faktor https://www.khanacademy.org/ VÝVOJ POJETÍ DEFINICE GENU – J.G. MENDEL https://www.wikiskripta.eu/w/Z%C3%A1kladn%C3%AD_z%C3%A1kony_genetik 1. zákon – uniformity Zákon o uniformitě F1 generace 2. zákon – segregace Zákon o náhodné segregaci genů do gamet VÝVOJ POJETÍ DEFINICE GENU Archibald Garrod – jeden gen = jeden metabolický blok Beadle a Tatum – jeden gen = jeden enzym GEN Strukturní geny Geny jiné struktury Geny pro RNA Regulační geny Pozor! Pseudogeny https://www.khanacademy.org/ Sekvence DNA (RNA), která kóduje genový produkt: RNA nebo polypeptid www.wikipedia.com STRUKTURA GENU PROKARYOTA Operon Regulace transkripce Konstitutivní geny Inducibilní geny Represibilní geny EUKARYOTA Regulace transkripce Transkripční faktory Regulace translace 5’ UTR, 3’ UTR siRNA, miRNA GENY JINÉ STRUKTURY 1) Různé varianty sestřihu a využití různých exonů: Takový gen je sekvence DNA, která je jednotkou transkripce a kóduje sadu blízce příbuzných polypeptidů 2) Genové segmenty, které se použijí pro tvorbu genů protilátek a T buněčného receptoru specifická skupina, jiná organizace ZÁKLADNÍ TERMINOLOGIE ALELA Konkrétní sekvence nukleové kyseliny lišící se v sekvenci nukleotidů od jiné alely téhož genu GENOTYP soubor alel organismu Homozygot x heterozygot ALELICKÉ INTERAKCE Dominance (recesivita) x kodominance x neúplná dominance LOKUS 3. MENDELŮV ZÁKON O NEZÁVISLÉ KOMBINOVATELNOSTI ALEL https://www.wikiskripta.eu/w/Z%C3%A1kladn%C3%AD_z%C3%A1kony_genetiky LOKUS A VAZBA GENŮ MAPOVÁNÍ GENOMU Genetická mapa Fyzická mapa KVALITATIVNÍ X KVANTITATIVNÍ ZNAK Majorgeny Minorgeny KVALITATIVNÍ ZNAKY Znak je dán jedním nebo několika málo geny (majorgeny) Dědí se mendelisticky: Autosomální x gonosomální dědičnost Znaky mají diskrétní, diskontinuitní charakter GENOKOPIE – genetická heterogenita a mikroheterogenita Komplikace - PENETRANCE A EXPRESIVITA IDENTIFIKACE GENU Experimentální křížení (in vivo) – od fenotypu ke genotypu Molekulární analýza (in vitro) – PCR, RT-PCR, umlčování genů, knock-out – od genotypu k fenotypu Počítačová analýza (in silico) OD GENOTYPU K FENOTYPU OD FENOTYPU KE GENOTYPU DNA RNA PROTEIN Transkripce Reverzní transkripce Translace KVANTITATIVNÍ ZNAK Komplikované působení desítek až stovek genů (minorgeny) pod vlivem faktorů prostředí Prostředí: klima, výživa, stres, životní styl, infekce, medikace, toxické látky … Znaky mají kontinuitní charakter Výška, váha, IQ, krevní tlak MOLEKULÁRNÍ DISEKCE KOMPLEXNÍHO ZNAKU Postup 1. Fenotypizace 2. Genome-wide association study (GWAS) 3. Analýza genové exprese: RNA, proteiny 4. Analýza drah (pathway analysis) Genetické mapy a sekvenování genomu umožnily lokalizaci nejprve genů kódujících jednoduše mendelisticky dědičné znaky a choroby. V případě komplexních znaků, je však třeba určit počet, lokalizaci, velikost efektu a vzájemné interakce jednotlivých zúčastněných genů. Některé z těchto informací lze získat molekulárním rozkladem (disekci) komplexního znaku. Možnosti detekce a identifikace genů podílejících se na komplexním znaku do značné míry závisí na jejich počtu, velikosti jejich efektu a frekvenci alel v populaci. Při hledání těchto genů je nezbytné nejprve přesně definovat fenotyp studovaného komplexního znaku, jehož genetickou podstatu zkoumáme. Poté se vytvoří dvě skupiny extrémních fenotypů (zdravý/nemocný), u nichž je předpoklad rozdílného genetického založení ve zkoumaném znaku. Tyto skupiny jsou podrobeny celogenomovému screeningu, který umožňuje identifikovat markery související (asociované) s variabilitou studovaného fenotypu. V případě potřeby je možné identifikovat další markery a potvrdit předchozí výsledky funkční analýzou genové exprese vybraných genů. Je také možné usuzovat FENOTYPIZACE Přesná definice studovaného znaku/onemocnění Vytvoření dvou skupin extrémních genotypů: nemocní x zdraví Předpoklad = rozložení je nenáhodné = rozdílné genetické založení znaku Pozor FENOKOPIE GENOME-WIDE ASSOCIATION STUDY Princip: identifikace markerů ve vazbě k dosud neznámým významným genům Markery: mikrosatelity, SNP Postup: srovnání skupin extrémních fenotypů Výsledky: kandidátní chromosomální oblasti Další postup: mapování oblasti, kandidátní geny markery Negativelogarithm ofP-value Manhattan plot – každá tečka znázorňuje jeden analyzovaný SNP srovnání skupin extrémních fenotypů gen kandidátní chromosomální oblasti mapování oblasti kandidátní geny gen MOLEKULÁRNÍ DISEKCE KOMPLEXNÍHO ZNAKU Identifikace kandidátních genu Analýza exprese Identifikace funkčně významných drah